近日,向世央視的界宣間一則公開報道,讓世界看到了中國在登月工程上的布中拜登進展,中國獨辟蹊徑研發了一種顛覆性的國獨材料技術:超輕質碳基微燒蝕防熱材料,這種材料最早2021年央視就已經報道過,創顛材料隨著中國登月工程正式開展,覆性超輕質碳基微燒蝕防熱材料再次出現在大眾眼前。美媒這種材料將助力中國載人登月飛船登陸月球。時多面對我國防熱材料的向世突破,和飛速發展的界宣間載人飛船登月項目,美媒在報道中國登月工程的布中拜登時候發出來了“之前對中方式或許并不正確,留給拜登的國獨挽回時間所剩無幾”的感嘆。美媒甚至發出請求:希望中國能與美國共享這項技術。創顛材料
防熱材料的覆性發展與要求隨著航天技術的發展,航天飛行器的美媒飛行速度不斷提高,服役環境越來越惡劣,有效的熱防護系統可在飛行器結構面對劇烈的氣動加熱時為其提供足夠的保護,使飛行器免于嚴酷的氣動熱環境的傷害而能保持更長時間的安全飛行。可靠的熱防護系統是高性能飛行器安全飛行的關鍵系統之一,而對其防熱結構的設計和防熱材料的選擇是熱防護系統設計研制的關鍵。隨著飛行器飛行速度的不斷提高,飛行器的熱防護問題成為限制飛行器發展的瓶頸。尤其是登月,返回艙第二宇宙速度再入大氣層時,速度達到第二宇宙速度,每秒11.2公里,阿波羅指令艙的最高表面溫度分別可達2950K,熱流峰值是近地軌道飛船再入大氣的兩倍多,如此高的溫度,必須要通過防熱系統的散熱和隔熱措施,使返回艙的內壁溫度保持在允許溫度內。
此外,對防熱系統要求,能經受強振動和噪聲環境,上升段聲壓可達170 dB ,再入段氣動噪聲可達145dB;能承受再入過載、熱應力載荷、高速氣流和高溫羽流的沖刷;環境適應性好,能滿足發射、運輸和操作等環境下的防水、防鹽霧、抗雨淋和侵蝕等。另外,防熱材料在保證強度的情況下,越輕越好,航天器對于重量向來是非常敏感的,尤其是深空探測任務。防熱材料越輕,攜帶的其他載荷以及內部空間就可以越多。
燒蝕熱防護材料按密度分為標準密度與輕質燒蝕材料。以碳/碳、碳/酚醛、高硅氧/酚醛為代表的標準密度燒蝕材料主要應用于高熱流、超高溫、高駐點壓力、高速粒子沖刷等極端惡劣環境短時間服役的遠程火箭或導彈; 輕質燒蝕材料主要應用于飛船返回艙或空間探測器等普遍采用半彈道- 跳躍式或升力再入等氣流焓值高、短時間熱流密度大、駐點壓力低和再入時間長的再入環境。中國防熱材料的發展此前,世界上最先進的防熱材料是改進后的Avcoat5026。Avcoat5026是阿波羅飛船所用的防熱材料,也是目前唯一經歷載人登月返回特殊嚴酷熱環境的防熱材料,這是一種是在玻璃纖維/酚醛蜂窩中填充環氧- 酚醛樹脂及酚醛空心微球、短切石英纖維填料制成平均密度為0. 55 g /cm3的復合材料。相比于硅橡膠,酚醛樹脂能承受更高的熱流和表面溫度,燒蝕率低,燒蝕表面碳化層的強度更大,能夠通過反向輻射耗散掉大量的再入加熱等優點,使得酚醛樹脂成為高加熱環境的優良防熱材料。改進后的Avcoat5026仍為燒蝕型防熱材料,密度在0.56g/cm3左右。
但是中國在嫦娥五號上使用了輕質C-Si-O蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料,其密度約為0.5g/cm3,可承受6MW/m2的熱流環境;拐角采用連續纖維增強中低密度結構材料;側壁結構采用的是超輕質的蜂窩增強防熱材料;密度約為0.36g/cm3,可承受1.5MW/m2的熱流環境,這也標志著中國在飛船防熱材料的研究,在使用了輕質C-Si-O蜂窩增強低密度燒蝕防熱材料之后,中國嫦娥五號直接減重了42公斤。而在嫦娥五號的基礎上,中國再次顛覆性研制了超輕質碳基微燒蝕防熱材料,除了可以抵御第二宇宙速度再入燒蝕,最高可以抵御3000度的高溫,從而順利完成地月球返回之外,它的厲害之處在于,能夠以極小的尺寸與重量代價解決航天器再入隔熱問題,這樣一來,我們的飛船返回艙就可以實現大空間輕重量的優化設計。
這真不是餅干2021年央視采訪報道的時候,航天科技集團五院、新一代載人飛船試驗船項目負責人張柏楠就明確表示,在防熱材料上,美國已經落后中國。
中國獨創顛覆性材料在應用了新一代防熱材料之后,中國新一代載人飛船的內部空間達到了全球之最,新一代載人飛船試驗船最大直徑4.5米,高8.8米,發射質量21.6噸,其中返回艙發射質量7噸,與之相比,服務NASA載人重返月球計劃的獵戶座飛船發射質量26.5噸,返回艙發射質量是10.4噸。
就噸位而言,獵戶座飛船的返回艙大于新一代載人飛船試驗船的返回艙,但是內部空間的對比卻是大反轉。獵戶座飛船返回艙內部可用容積是9立方米,而我們的則是13立方米。另外獵戶座飛船的防熱材料仍然使用的是阿波羅飛船防熱材料的改進款,制造工藝復雜、周期非常長,獵戶座飛船大底的防熱材料需要整整6個月才能完成制造。而中國的防熱材料采用了熱壓罐真空加注工藝,只要8個小時就能讓隔熱結構一次成型。而且放熱結構還能實現可拆和替換等。
這新型顛覆性材料,不僅為航天器保駕護航,還能運用在空天飛機,以及高速飛行的其他飛行器上。不僅是顛覆性材料的運用,中國新一代載人飛船將會采用多項突破性技術,首次采用國際上推力最大的新型單組元無毒推進系統,首次采用群傘氣動減速和氣囊著陸緩沖技術等等。看到如此多的新型技術,也讓我們一起期待2030年前中國的首次載人登月吧。








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